贵州省河谷型村镇建设中外来植物的入侵风险评估

王 楠, 吕锡斌, 李 辉， 杨 帆， 马伟波， 王和玉， 赵立君， 田美荣， 李海东， 王 莉*

1.生态环境部南京环境科学研究所, 江苏 南京 210042

2.贵州茅台酒股份有限公司, 贵州 仁怀 564501

村镇建设和国土空间生态修复的外来植物配置，对区域生态安全和人居环境健康至关重要. 外来入侵植物会在生态系统中占据优势地位，进而影响整个生态系统的运行过程[1]. 长江支流赤水河流域中上游是长江流域生态屏障的组成部分[2]. 2000年以来，赤水河流域生态保护和河谷两岸林草生态工程建设在强调乡土物种的同时，城镇园林绿化也引进了大量外来植物. 2018年，贵州省林业局发布贵州省林业有害植物的发生情况，发现林业入侵有害植物主要为紫茎泽兰和飞机草，发生面积可达13.9×104亩[3]，威胁着区域的生态平衡和生物安全.

目前，关于外来植物的研究主要集中在物种组成、入侵途径、植物区系和生物入侵的危害与管理等方面[4-6]，关于外来植物分布的影响因子和入侵植物的危害性评估研究较少. 在村镇绿色生态建设过程中，如果忽视了乡土植物的生态价值，不恰当地引进外来植物，不仅会造成生物入侵和环境危害、压缩乡土物种的分布空间，而且会导致生物多样性[7]和主导生态功能丧失[8-9]，对人居环境健康产生不利影响. 因此，摸清赤水河流域村镇建设中外来植物的物种组成、影响因子及入侵风险等级，对村镇生态风险防控和人居环境健康具有重要意义.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州省某河谷型村镇(106°22′E、27°51′N)地处赤水河中上游河流谷地，属水源涵养重要生态功能区. 面积为225.1 km2，辖6个社区、22个行政村. 海拔范围400～800 m，属于亚热带季风湿润气候，年均气温17.7 ℃，夏季长达半年之久，冬季无霜期长，温差小，无霜期359 d，年均降雨量926.1 mm. 土壤类型复杂多样，主要有黄壤、紫色土等. 耕作土则以各种旱作土、潮土和水稻土为主. 地带性植被为暖性针叶林和常绿落叶阔叶林.

1.2 样地布设与调查

2019年7月，结合《中国植被类型图》(1∶100万)，在对该河谷型村镇植被分布进行全面踏查的基础上，通过遥感和地理信息系统(GIS)的空间分析功能，筛选不同植被类型的调查样地，采取样方与线路相结合的方法，进行外来植物样地调查.

针对不同海拔梯度(300～500、500～700、700～900 m)，在该河谷型村镇建成区和非建成区选择了41个样点(记为P1～P41)和8条线路(记为L1～L8)(见图1)，建成区的海拔为389～672 m，非建成区海拔为384～810 m. 其中线路均分布在建成区，长度为300～500 m. 根据地形、生境类型等实际情况布设样方：大范围样地选择布设100 m×100 m的样方，将其划分为20 m×20 m的相邻格子进行乔木调查，并在格子内划分为10 m×10 m、1 m×1 m的小样方进行灌木和草本调查；小范围样地则选择布设20 m×20 m的样方进行乔木调查，并划分为10 m×10 m、1 m×1 m的小样方进行灌木和草本调查[10].

图1 研究区及野外调查样点和线路分布

每个样方和线路的记录数据包括：经纬度、海拔、坡向、坡度、植物名称、株数、多度和盖度，重点调查建成区和非建成区高等植物的种类和地理分布.

1.3 分析方法

1.3.1入侵强度分析

根据《中国外来入侵植物名录》[11]中的外来入侵植物等级，计算各样点外来植物的入侵强度.

(1)

式中，II为样点入侵强度，GR为入侵等级.

1.3.2分布特征分析

选取外来植物种数、入侵强度、乡土植物种数、乡土优势植物种数、海拔、坡度和坡向7个因子，利用SPSS 20.0软件进行相关性分析. 运用软件R 3.6.0的增强回归树(boosted regression tree, BRT)模型分析不同影响因子对外来植物种数的影响程度. 生态建模参数设置：树复杂性(tree complexity)设为5，学习速率(learning rate)为0.001，袋分数(bag fraction)为0.7.

1.3.3入侵风险等级分析

参考国内关于外来物种入侵风险评估方面的评估方法与真实案例[12-14]，采用层次分析法(analysis hierarchy process，AHP)构建外来植物的入侵风险评估指标体系(见表1). 利用专家咨询法，确定5个一级指标(总目标指标层)、13个二级指标(分目标指标层)、39个三级指标(操作性指标层)，根据文献资料和实际调查结果，主要从外来物种的环境适应性、入侵史、生物学特性及危害性等进行综合评估.

表1 外来植物的入侵风险评估指标体系

运用AHP计算指标权重，通过专家咨询法确定判断矩阵，并进行一致性检验，用特征向量法计算权重向量，确定外来植物入侵风险评估指标体系中的权重系数，按权重对各级指标赋予不同分值. 该评估体系总分为100分，上层指标得分为下一层指标所得分数的总和. 根据外来植物的基本特征和危害程度等实际情况，确定每个外来植物在操作性指标层的得分.

根据入侵现状，结合综合评估所得分值(R)来划定风险等级：若R≥39，风险等级为高级，应高度重视，加强对外来入侵植物的管控；若32≤R<39，风险等级为中级，风险在可控范围内，但需采取相应的防范措施；若R<32，风险等级为低级，风险较低，可暂时不予处理.

2 结果与分析

2.1 外来植物组成

实地调查和统计分析显示，该典型村镇植物丰富，共发现植物276种，隶属于99科230属. 由表2可见，外来植物共计37种，隶属于18科32属，占调查获取植物总数的13.41%. 外来入侵等级为1级的有11种(编号为S1～S11)，占外来植物总数的29.73%. 外来植物中菊科种类(13种)最多且分布广泛，主要集中在建成区，占外来植物总数的35.14%. 外来植物中有22种来源于美洲，物种编号为S1～S4、S6～S11、S16～S19和S24～S32. 外来植物中草本植物种数最多，占64.86%，其中有害植物17种，占49.95%. 外来植物中灌木和藤本植物较少，无乔木. 有害植物为落葵薯(S3)、蓖麻(S13)、喀西茄(S15)、马缨丹(S9)等.

表2 外来植物的基本情况

2.2 外来植物的分布特征

如表3所示，外来植物种数与入侵强度呈极显著正相关(P<0.01)，随着样点外来植物种数的增加，入侵强度也随之增大. 外来植物种数与海拔、乡土植物种数均呈极显著负相关(P<0.01)，即随着海拔的升高，外来植物种数逐渐减少，乡土植物种数逐渐增加. 乡土优势植物种数与入侵强度呈显著相关(P<0.05). 外来植物种数与坡度、坡向之间的相关性不显著. 植物种数的变化与海拔密切相关.

表3 外来植物种数与影响因子的相关性分析

如图2、3所示，对外来植物种数影响最大的是海拔，其贡献率为68.7%：其次是入侵强度和乡土植物种数，二者产生的贡献率分别为12.4%和9.6%；坡向和坡度对入侵植物种数的影响相差不大，贡献率分别为5.3%、3.0%；影响程度最小的是乡土优势植物种数，贡献率仅为0.9%. 海拔在400～500 m范围内时与外来植物种数呈负相关，入侵强度在5～15范围内时与外来植物种数呈显著正相关，乡土植物种数为10～22种时，随着乡土植物种数的不断增加，外来植物种数逐渐减小.

注： 括号内为各影响因子的贡献率，纵轴表示经过中心化处理后的应变量，数值无具体含义，仅表示随影响因子变化的趋势.

图3 外来植物种数的影响因子贡献率

由图4可见，外来植物可为3类： ①A类，分布跨度大，在海拔400～810 m内均有分布，包括4种植物，分别为土人参(S29)、垂序商陆(S28)、红花酢浆草(S26)、苦苣菜(S24)和三叶鬼针草(S2)；②B类，分布范围较小，仅在400～425 m的低海拔段有分布，为蓖麻(S13)和反枝苋(S1); ③C类，分布在400～650 m海拔段，大部分植物均包含于C类，主要为藿香蓟(S10)、野胡萝卜(S14)和北美车前(S20)等. 外来植物在海拔550 m左右分布数量较多.

注： 物种编号对应的外来植物名称见表2.

2.3 外来植物的入侵风险等级

由表4可见，在37种外来植物中，入侵风险等级为高级的有13种，占35.10%；入侵风险等级为中级的有14种，占35.14%；入侵风险为低级的植物有10种，占27.03%. 外来入侵风险最高的是小蓬草(S7)，其次是反枝苋(S1)、三叶鬼针草(S2)和土荆芥(S4)等.

表4 37种外来植物入侵风险等级评估

续表4

13种入侵风险等级为高级的外来植物中，有11种分布在建成区，9种分布在非建成区. 其中，在建成区和非建成区均有分布的外来植物有8种，分别为垂序商陆(S28)、藿香蓟(S10)、三叶鬼针草(S2)、土荆芥(S4)、喜旱莲子草(S5)、野胡萝卜(S14)、小蓬草(S7)和一年蓬(S6).

3 讨论

生物入侵可对生物多样性保护和人居环境健康造成严重影响[15-16]，是村镇绿色生态建设需要高度重视的问题之一[17]. 该河谷型村镇64.7%的外来植物起源于美洲，可能是因为当地的亚热带季风气候，与美洲气候特征相似[18-19]；外来植物中，35.1%为菊科，菊科是我国入侵植物种类最多的类群之一，陈新微等[20]研究发现，三叶鬼针草、紫茎泽兰等菊科入侵植物有着更高的光合特性指标和能量利用指标，使得外来植物在入侵过程中能更有效地捕获和利用自然资源，因此具有适宜传播和扩散的生物学特征[21].

该河谷型村镇建成区主要在海拔较低的赤水河谷地，呈现沿河谷上下游和左右岸延伸的空间格局. 外来植物种数呈随海拔升高而减少的趋势，这与王苏铭等[10]的研究结果一致，在海拔较低的建成区，土地利用类型的剧烈变化会导致生境破碎化，从而使得一些外来植物会通过边缘向内部入侵[22]. 研究表明，该河谷型村镇外来植物主要分布在海拔400～650 m之间，这是由于建成区的园林绿化和生态景观建设使得该海拔段的生境破碎化程度较高，同时伴随不恰当地引种，造成了外来植物的入侵. 目前该小镇虽仅发现贵州省林业局发布的有害植物中的紫茎泽兰[23]，但紫茎泽兰生长迅速、适应性强，化感作用强烈，对农业生产、土壤养分[24]都可能带来影响和破坏，且在该小镇的入侵风险等级已经为高级. 外来植物多样性与本土植物之间的关系可能与研究尺度有关[25]，在群落尺度上，乡土植物会对外来植物有“抵抗能力”，所以外来植物与乡土植物呈负相关. 相关研究表明，外来植物的分布与人类干扰强度有关，旅游开发、贸易往来和生态修复均可能加剧生态风险[26-27]，进而从生态位上对乡土植物和区域生态安全造成危害[28]. 因此，在“产业兴旺、生态宜居”乡村振兴战略实施中，村镇建设规划和国土空间生态修复要合理开发利用乡土植物资源，应加大对乡土植物的研究和繁育[29-30]，降低城市园林绿化带来的外来植物入侵风险.

外来植物的入侵风险评估是生物入侵防控政策制定的基础和前提[31]. 该河谷型村镇37种外来植物中有35.1%的外来植物入侵风险等级为高级，这类植物生境适宜性较强，部分外来植物(如反枝苋、三叶鬼针草等)能够同时适应干、湿两种生境，具有较强的定居能力，这和任颖等[32]的研究结果相似. 该小镇入侵风险等级为高级的13种外来植物中，在建成区发现11种，非建成区发现9种，在建成区和非建成区之间的差别不大，可能是由于人类活动和植物本身的易传播性已造成外来植物的充分扩散[33]. 吴晓雯等[34-35]认为，人类活动强度是决定外来入侵植物种数的关键，随着赤水河流域旅游资源的开发和酿酒业的不断发展，人类活动强度将不断增加，着眼于区域生态安全和高质量发展的需求，建议做好以下工作：①严格控制已有外来植物的生态风险[36]. 生长在城镇非建成区的外来植物，根据外来植物的入侵等级和分布情况进行有效防疫. 可采用乡土植物的生物防治方法，播种早萌植物，提前造成郁闭条件，从而抑制外来植物的萌发[37]. 对于大面积暴发、入侵风险等级为高级的外来植物，采用机械或化学的方法，加强生态环境治理，及时进行风险管理与利用. ②积极开发和培育乡土植物，在村镇发展规划和退化生态系统修复过程中，积极引导乡土植物和地带性植物的筛选，加强外来植物检疫工作，控制外来植物的生态风险，开发与主导产业相一致的村建绿色生态建设模式.

4 结论

a) 该河谷型村镇共发现外来植物37种，隶属于18科32属，有24种来源于美洲. 外来植物中以菊科植物种数最多，有13种，其中草本植物种数最多，占64.86%.

b) 外来植物种数与海拔、乡土植物种数均呈极显著负相关，与入侵强度呈极显著正相关. 对外来植物种数影响最大的是海拔，其贡献率为68.7%，其次是入侵强度和乡土植物种数，二者贡献率分别为12.4%和9.6%. 由于海拔较低的位置主要为建成区，人类活动和物种扩散强度较大，大部分外来植物分布在400～650 m的低海拔段.

c) 对该河谷型村镇外来植物的入侵风险评估发现，外来植物入侵风险等级为高级的植物种类为13种，占35.1%，有11种分布在建成区、9种分布在非建成区. 外来入侵风险值最高的为小蓬草(S7)，其他依次为反枝苋(S1)、三叶鬼针草(S2)和土荆芥(S4)等.

d) 园林绿化、生态景观建设和旅游开发等不恰当地引进外来物种行为会造成生物入侵，村镇建设规划和国土空间生态修复应高度重视外来植物的引进，合理开发利用乡土植物资源，减少外来植物的入侵风险和生态危害.